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Visão geral da Biosensagem

Summary

Biosensores são dispositivos que usam uma ampla gama de processos biológicos e propriedades físicas para detectar uma molécula biológica, como uma proteína ou célula, ou uma molécula não biológica, como um componente químico ou contaminante. Este campo interdisciplinar utiliza propriedades elétricas, ópticas, eletroquímicas ou mesmo mecânicas para detectar a presença da molécula alvo.

Este vídeo introduz o campo da biosensagem e revisa tipos comuns de tecnologias biosensoras. Este vídeo também discute os principais desafios no campo e fornece uma visão de como os biosensores são usados no campo.

Overview

Biosensores são dispositivos que usam uma ampla gama de processos biológicos e propriedades físicas para detectar uma molécula biológica, como uma proteína ou célula, ou uma molécula não biológica, como um componente químico ou contaminante. Este campo interdisciplinar utiliza propriedades elétricas, ópticas, eletroquímicas ou mesmo mecânicas para detectar a presença da molécula alvo.

Este vídeo introduz o campo da biosensagem e revisa tipos comuns de tecnologias biosensoras. Este vídeo também discute os principais desafios no campo e fornece uma visão de como os biosensores são usados no campo.

Procedure

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Os biosensores revolucionaram os campos da medicina e da biotecnologia através da detecção e caracterização de moléculas-alvo em fluidos biológicos complexos. Um biosensor é um dispositivo que usa uma molécula de receptor biológico, como uma enzima, para detectar um composto específico. Os biosensores usam diferentes métodos, como eletroquímica, propriedades mecânicas ou óptica, para detectar a ligação da molécula específica ao receptor. Este vídeo introduzirá biosensores e o campo de biosensores discutindo algumas técnicas básicas e tipos de biosensores, bem como suas aplicações.

Primeiro, vamos discutir o básico de como um biosensor típico funciona. Um biosensor consiste em um sistema de reconhecimento biológico, muitas vezes chamado de bioreceptor ou molécula da sonda. Esta é geralmente uma biomolécula imobilizada, como uma enzima, anticorpo ou ácido nucleico, que é usado para capturar seletivamente uma molécula alvo. A ligação entre a sonda e as moléculas-alvo causa um evento mensurável, como uma mudança de pH, alteração óptica ou evento redox. Esta alteração é medida pelo transdutor, que converte as informações de ligação em um sinal quantificável. Alguns biosensores quantificam a quantidade de alvo vinculado, proporcionando ao usuário uma concentração. No entanto, alguns são usados para simplesmente confirmar a presença de uma molécula, como em um teste de gravidez. O primeiro biosensor foi o sensor de oxigênio desenvolvido por Leland C. Clark. O sensor utilizou glicose oxidase, que é reduzida quando a glicose se liga. Na presença de oxigênio, a glicose oxidase é então oxidada, produzindo peróxido de hidrogênio em uma reação lateral. Quando o peróxido de hidrogênio é oxidado, um elétron é perdido e medido pelo eletrodo. Quanto mais oxigênio presente, mais peróxido de hidrogênio produzido e mais elétrons medidos. Esta descoberta abriu caminho para biosensores modernos. Agora que introduzimos biosensores e um pouco de sua história, vamos dar uma olhada em alguns tipos comuns de biosensores.

Sensores ópticos usam luz para detectar a ligação de uma molécula alvo à molécula da sonda. Um exemplo muito simples é um sensor baseado em fluorescência. Aqui, a superfície do sensor é revestida com um polímero, que tem baixa fluorescência basal. Quando a superfície do polímero é funcionalizada com a molécula da sonda, neste caso, DNA de uma única cadeia, a fluorescência aumenta. Quando a molécula alvo, a cadeia de DNA complementar, se liga ao fio alvo, o aumento da fluorescência desaparece, permitindo ao usuário determinar a quantidade e a localização da ligação com base na intensidade da fluorescência. Outro tipo comum de biosensor é o sensor eletroquímico, que usa eletrodos para sentir reações de redox entre a sonda e moléculas-alvo. Isso é comumente feito usando uma enzima ligada à superfície do eletrodo. Quando a molécula alvo se liga à enzima sob um potencial aplicado específico, ocorre a redução ou oxidação do complexo. Isso cria um excedente ou déficit de elétrons, o que é diretamente proporcional à quantidade de molécula alvo ligada.

O campo da biosensão não é sem seus desafios. Primeiro, um dos principais desafios é a contaminação da superfície biosensor por outras moléculas na amostra, chamada biofouling, que podem ocorrer em misturas complexas. Essa contaminação pode impedir que as moléculas da sonda desenham a molécula alvo na amostra, diminuindo consideravelmente a capacidade de detecção do sensor. Como resultado, alguns biosensores têm uma vida limitada e são regenerados ou eliminados. Alternativamente, revestimentos anti-biofouling podem ser desenvolvidos para mitigar esse efeito. O limite de detecção de um sensor refere-se à menor quantidade de substância que pode ser distinguida de forma confiável da ausência dessa substância. Um baixo limite de detecção é vantajoso na detecção de vestígios de uma substância com certeza, sendo a detecção de moléculas únicas o cenário ideal. No entanto, isso pode ser difícil, pois baixas concentrações muitas vezes resultam em sinais fracos que estão abaixo do ruído e são difíceis de quantificar. Grande parte das pesquisas atuais visa melhorar os limites de detecção, melhorando a eficiência de vinculação e reduzindo o ruído.

Agora que discutimos alguns tipos comuns de biosensores, juntamente com seus desafios, vamos dar uma olhada em algumas aplicações desses conceitos básicos. Um sensor comumente usado é o microequilípmo de cristal de quartzo, ou QCM. QCM consiste em dois eletrodos de ouro separados por um cristal de quartzo, que tem propriedades piezoelétricas. Quando uma corrente alternada é aplicada, oscilações com uma frequência ressonante específica são induzidas. Esta frequência ressonante muda quando as moléculas se ligam à superfície. Esta mudança é usada para detectar a ligação das moléculas-alvo e a quantidade. Cantilevers especializados usam propriedades mecânicas para detectar a ligação de moléculas-alvo. Aqui, os cantilevers são funcionalizados com moléculas de sonda e, em seguida, expostos à molécula alvo. Ao se ligar à molécula alvo, o cantilever se desvia devido às mudanças no estresse superficial. Esta deflexão é então medida usando um laser.

Você acabou de assistir a visão geral da JoVE sobre biosensing. Agora você deve estar familiarizado com o básico dos biosensores, alguns tipos-chave de sensores e seus desafios, bem como algumas aplicações no campo. Obrigado por assistir.

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